ECal彻底改革了VNA校验的执行方式 [1, 2]。我们从未听说机械校验可轻易而快速地达到准确的校验。而ECal除了具备快速和容易的特性之外，还加入了“用户特性分析”功能。这项新功能增强了现有ECal模块系列的多功能性，让用户能够在以往无法使用ECal的数种应用中使用ECal，并获得新一代PNA与ENA系列向量网络分析仪的支持。

以往用户要量测混合接头装置，必须使用多个校验套件，但仍可能要忍受因为使用转接器而导致的不确定性。用户特性分析功能可以解决以上及其他许多校验问题。ECal用户可以透过这项功能，为一个ECal模块建立5种自定义校验。这些校验可用来处理搭配ECal模块使用的接头转接器、反内嵌夹具和测试探棒，以及用于各种其他的应用。

ECal 运作方式

ECal的核心包含了几个反射性及至少一个传输性阻抗状态，它们都具有已知的值。网络分析仪标准的单埠错误修正，依循(图一)所示的信号流程图与方程序。

《图一 单埠错误修正信号流程图》

在单埠校验中，必须决定Directivity（D）、 Source Match（SM）和Reflection Tracking（RT）的值。ECal会提供已知的阻抗标准（S11a）值，而网络分析仪则会提供原始量测值（S11m）。因此，图一中的方程序简化成3个必须求解的未知数（D、SM、RT），这三个未知数代表至少有三个独立方程序必须求解。标准的机械校验会使用三个阻抗标准来解这些方程序，那就是开路、短路和负载。这构成了解方程序的最小需求。ECal通常会为单埠错误修正，提供至少4个已知的反射阻抗标准。因此，求得的解会被视为过度决定，并为全部4个阻抗环境的最小平方最适合线（least squares fit）。

二埠错误修正采用的技术与单埠错误修正的很类似。(图二)是标准的二埠错误图与方程序。

《图二 二埠错误修正信号流程图》

请注意，图二中的图形假设D、SM和RT的值已利用单埠错误修正技术求出。同样地，ECal会提供S11a、S21a、S12a、S22a等已知值，而网络分析仪则会提供S11m、S21m。Load Match（LM）和Transmission Tracking（TT）项可利用方程序2和3来求解。（前述的错误项与前向配置有关。只要稍微修改方程序1到3，即可得到反向配置的类似项目。）

这种方法的准确度，主要取决于阻抗标准的“实际”值的准确度 [3]。“实际”值不是源自于模型，就是利用网络分析仪所测得的。ECal阻抗标准因为具有复杂的结构而必须直接量测。“实际”值会因模型的准确度或量测准确度，而包含某种程度的不确定性。已知数值的不确定性愈高，ECal仪器所产生的校验错误就愈多。新一代仪器使用类似于TRL效能的校验技术来量测ECal模块，因此减少了不确定性错误。ECal通常被称为传输标准，因为它的准确度只会受到原始校验的量测准确度及用来量测ECal阻抗标准的测试设定所影响。

阻抗标准的稳定度是可能造成错误的另一个原因。一般而言，参考标准意谓着某样事物是固定或稳定的。所有的电子装置本身都会有某种程度的不稳定，ECal模块的设计，就是根据这个观念。ECal的制造只使用最稳定的电子组件，并以精密的接头来减少任何接头重复性（connector repeatability）错误。此外，这个模块还使用热补偿技术来限制因环境温度所造成的效能差异。

用户特性分析──运作方式

用户通常会以接头选项或非安捷伦所提供的ECal配置，来利用ECal的速度与容易特性。“用户特性分析”功能可让用户重新分析ECal模块的特性。ECal中的闪存会分割成“工厂特性分析”（Factory Characterized）空间和“用户特性分析”空间，如此在执行“用户特性分析”时就不会影响到“工厂特性分析”的储存数据。“用户特性分析”的执行程序，采用了一个简单的3步骤算法：

这个过程会如“ECal ──运作方式”一节所描述的情形，来量测阻抗标准的“实际”值，因此步骤(1)所执行的校验之准确度，会直接影响ECal模块所产生的校验质量。

一旦完成上述步骤，“用户特性分析”过的ECal模块就可以在PNA或ENA系列网络分析仪上使用了。这种方法可用于下列情况：

ECal与夹具──技术

有时候因为没有适当的转接器，而使ECal无法配合用户的测试设定。举例来说，并没有可调整的解决方案能够将晶圆探针连接到ECal模块，但只要使用一些特殊技术，此种情况仍可利用ECal的速度与容易度。在此所描述的技术适用于所有的夹具应用情况（即晶圆探针、天线等），前提是可在夹具本身执行校验。

网络分析仪会连同同轴接头一起销售，这表示所有的测试设定多少都会以同轴的方式连接它们的夹具设定，因此，可在这个同轴网络网桥进行ECal模块的连接。检视(图三)中的一般夹具设定，即可看到ECal模块可连接的网络网桥。

《图三 用户特性分析的晶圆探针夹具应用》

建立好连接点之后，请依下列步骤来分析ECal模块的特性，以进行夹具校验：

使用ECal来校验夹具时，必须执行下列步骤：

这种方法考虑到在校验或特性分析程序中内嵌或反内嵌夹具的效能，因此，这项校验技术只对进行ECal的特性分析时所使用的特定夹具设定有效，而不适用于另一种夹具设定。每一个后续的夹具，都必须使用ECal模块中不同的用户特性分析槽来执行类似的程序。

上述方法有一个缺点，那就是必须移除连接到夹具的接线。在一些应用中，这是一项很烦琐的工作，有时还得考虑反复连接的动作对夹具可能造成的损害。这时可以采用一种稍微不同的配置，那就是在其中加入一些设备。(图四)显示一个开关驱动器连接两个单刀，双掷（SPDT）开关，还有一些额外的布线。尽量简化布线，可以减少接线漂移误差。

《图四 夹具应用中的ECal与开关》

除了在执行ECal校验或ECal特性分析时，SPDT必须切换到ECal模块之外，其余都相同。相反地，当在量测DUT或直接在夹具校验时，开关必须设定在夹具。这个设定的优点是系统中不会出现接头重复性错误或接线移动错误，但却会产生开关重复性的问题。在大多数的高频应用中，发生开关重复性错误的机率会低于接线移动错误的机率。

ECal与夹具应用──理论

在夹具应用中，ECal使用的技术可让您利用与实体量测平面不同的校验平面来执行量测。以下将说明此概念的数学与分析证明（知道这个概念，有助于了解校验平面代表参考平面位置的数学表示法，而量测平面则代表参考平面的实体位置）。

这个程序的第一个步骤就是在夹具层次执行校验。举例来说，如果夹具是一个晶圆探针，则可使用晶圆TRL或SOLT校验。(图五)提供一个一般夹具应用的拓朴布局。

《图五 夹具方块图》

由于在夹具平面执行校验，所以可从夹具平面来决定系统的错误系数。

《公式一》

这些错误系数可应用到所有的量测数据，以计算待测装置的“实际”特性。如果是在接线平面量测装置，则可使用相同的错误系数。

《图六 移除夹具后的夹具设定方块图》

装置的VNA计算响应（ΓDUT'）为：

《公式二》

连接到接线平面的装置之实际响应，应为：

《公式三》

方程序6和7的关系可表示如下 ：

《公式四》

我们从以上的方程序推论，网络分析仪的正确响应为DUT响应加上反内嵌夹具的响应。因此，网络分析仪以这种方式对ECal模块进行特性分析时，会产生量测ECal模块的响应加上反内嵌夹具的响应的结果。

在校验过程中使用“分析过夹具特性的ECal模块”，夹具的响应会以数学方式内嵌到量测平面上。

《公式五》

《公式六》

求出错误修正项──A、B、C、D：

(Eq 11)

《公式七》

检查发现 [[TF]] 内嵌在 的解中；二埠错误项也可以执行类似的论证。

ECal传输准确度──验证校验传输

@为了了解传输准确度，或验证ECal模块的特性，必须执行下列步骤：

求出两组错误项的差，有助于了解ECal模块与原始校验之间的误差量。典型的图形显示如(图七)。请注意，这并非校验的剩余误差，而只是两个校验之间的差异。可以将这项差异视为原始校验的剩余项目之额外错误。

《图七 Delta错误项》

用户特性分析──造成错误的原因

一般而言，ECal校验的准确度取决于ECal阻抗状态的准确度，不确定性愈低，ECal模块的校验准确度愈高。这些不确定性可以归因于几个因素：

如同前面所说的，ECal被视为一个传输标准，因此原始校验成了ECal的基本准确度限制之一。ECal执行校验的准确度，比不上用来分析模块特性的校验之准确度。除了校验准确度之外，测试设定的稳定度对于维持最高的校验准确度也很重要。(图八)所列的数据显示接线移动如何导致网络分析仪量测发生错误。

《图八 接线移动漂移误差》

图八中的两条轨迹显示移动接线3英吋所产生的量测误差量。标示良好接线的绿色轨迹使用高质量的接线，标示不良接线的蓝色轨迹则使用质量较差的接线。使用不良的接线会增加0.1dB（1％）的量测误差，使用较高质量的接线则可以将此误差降到大约0.02dB（0.2％）。量测准确度很重要，因为它会使校验传输质量与ECal模块产生直接的关系。想象图中所示的0.1dB误差，是ECal阻抗状态的分析值中的不确定量，这表示ECal模块无法达到大于0.1dB（1％）的量测准确度。量测ECal模块时的不确定性愈低，ECal模块的效能将会愈高。

造成错误的另一个可能原因是ECal模块的稳定度。所有的ECal模块在出厂之前都必须量测准确度和稳定度参数，以保证在特定频带内的效能水平。“用户特性分析”功能可让用户利用转接器或接线来分析ECal模块。转接器或接线的重复性可能是造成“用户特性分析”校验产生错误的另一个原因。(图十)的数据显示良好接头与不良接头所造成的接头重复性错误。

《图九 接头重复性错误》

量测一端接到短线，另一端接到网络分析仪的转接器，以得到描述的数据。接着移除转接器，并以90度增量来旋转原来的位置，然后再计算每个位置相对第一个位置的对数向量大小差。

良好接头与不良接头间的差异相当明显。不干净或受损的接头的效能，可能与“良好”接头的效能差上5倍。接头重复性的程度将会直接影响ECal模块的特性分析中的不确定性。如同前面所述，这会直接影响ECal模块的校验准确度。接头的重复性与接线的不稳定，将在量测装置时造成额外的错误。

最后一种产生错误的可能原因，是有关“用户特性分析”中所使用的频率间隔。如同前面所述，ECal模块的闪存包含工厂所测得的ECal模块之阻抗标准数据。数据是一组间隔大约50 MHz的非连续频率点。在正常操作的情况下，网络分析仪会内插ECal模块的数据到网络分析仪的现有频率列表。然而，内插法只对频率点作用，它们与ECal模块的特性分析数据中所包含的频率点并不相符。内插的算法基本上会锁定所要频率前后的几个点，以便“曲线拟合”数据。因此，选择频率间隔，亦即取样，以便正确分析阻抗标准的整个频距是非常重要的。

为了使内插法能够正常运作，必须有足够的取样点，以准确描述阻抗标准在特定范围内的特性；参考(图十)的范例。

《图十 取样误差》

我们看到了使用两组频率间隔（11个取样点和801个取样点），对同一个ECal阻抗标准所执行的两组量测。11个取样点量测中反白的非连续数据点，说明了内插的概念。如图十所示，每个数据点对两条轨迹来说都是相同的，然而在不同的图中，数据点间的内插轨迹数据则明显不同。若锁定20到25 GHz的范围，则会产生另一个数据图，如(图十一)。

《图十一 取样误差（放大区域）》

在26.5 GHz的频率范围内使用801个取样点的密度，已足以分析这个特殊的ECal阻抗标准的特性。一次只看少数几个数据点，轨迹看起来会像一条曲线或直线。测得的数据点可以轻易地内插到曲线和直线中。基本上，这就是ECal执行内插的方式，它会查看所需的频率点前后的几个取样点，并且根据直线或曲线的特性来内插数值。没有足够的取样点以准确执行内插，将会导致内插错误，其被定义为实际值与内插值之间的数量差。

结语

近年来，电子校验技术已有长足的进步。拥有“用户特性分析”功能的高效能ECal模块和网络分析仪，为以往不可能或甚难执行的校验技术开启了一扇大门。使用ECal来简化夹具和晶圆测试站的校验，如今已“美梦成真”。

（作者任职于安捷伦科技）

参考数据:参考文献：

[1]V. Adamian, A Novel Procedure For Network Analyzer Calibration and Verification, 41st ARFTG Conference Digest, Spring 1993, pp. 8-17

[2]V. Adamian, Electronic Calibration of a Vector Network Analyzer for Non-insertable Devices, 43rd ARFTG Digest, Spring 1994, pp. 1-10

[3]K. Wong, R.S. Grewal, Microwave Electronic Calibration: Transferring Standards Lab Accuracy to the Production Floor, Microwave Journal, Sept. 1994, Microwave Journal vol.37, no.9 : 94, 98, 100, 102, 105, Sept. 1994

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